Tema 67 – Elementos comparadores en los circuitos de control

INDICE

0. Idea general

1. Conceptos previos

2. Las Sincromáquinas

3. Tipos de comparadores

4. Generadores tacométricos

5. El pontenciómetro como elemento de control. Tipos

6. Resumen de conceptos

0. Introducción

Los procesos industriales exigen el control de la fabricación de los diversos productos obtenidos. Los procesos son muy variados y abarcan muchos tipos de productos: la fabricación de los productos derivados del petróleo, de los productos derivados del petróleo, de los productos alimenticios, la industria cerámica, las centrales generadoras de energía, la siderurgia, los tratamientos térmicos, la industria papelera, la industria textil, etc.

En todos estos procesos es absolutamente necesario controlar y mantener constantes algunas magnitudes, tales como la presión, el caudal, el nivel, la temperatura, la velocidad, etc.

En definitiva, el objetivo de este capítulo es estudiar con profundidad los diferentes y más comunes elementos de comparación como son los potenciómetros (resistencias variables) sabiendo la diferencia de potencial en sus bornes podremos saber lo que ha variado la resistencia y en consecuencia si es angular o multivuelta podremos saber la variación de la magnitud comparada con el valor de referencia.

Las sincromáquinas , el elemento comparador destinado a gobernar la posición angular de un eje en función de la posición angular de otro eje, llamado de mando o referencia.

Mediante las de dinamos tacométricas podremos saber la velocidad de giro de un eje sabiendo el valor de la diferencia de potencial en sus bornes; estamos hablando.

SE estudiarán los diferentes comparadores para pequeños desplazamientos como son silverstad (puente de wheatstone), los capacitivos , los electromagnéticos, y los fotoeléctricos.

1. Conceptos previos

– Concepto de ELEMENTO

Un término general que se usa para refererirse a uno de entre cierto número de unidades, grupos, objetos, etc. Cualquier dispositivo eléctrico (como bobina, resistencia, generador, condensador, línea o tubo de electrones) con terminales con los cuales pueden conectarse directamente a otros dispositivos eléctricos; por ejemplo un elemento activo presenta ganancia (ej: transistor) y un elemento pasivo no tiene ganancia ( ej: resistencia, bobina, condensador).

– Concepto de COMPARADOR

1. Circuito que compara dos señales y suministra una indicación de su concordancia o desacuerdo

2. Dispositivo que compara la igualdad de dos entradas. Un tipo de ellos compara tensiones y da una de estas salida ( <, = y <). Un tercer tipo compara fase y frecuencia y da una tensión variable dependiente de la relación de las entradas

3. Circuito que compara dos señales diferentes y proporciona una señal <<diferencia>>.

4. Circuito que evalúa un parámetro de salida para determinar si está por debajo de algunos límites predeterminados

Los elementos comparadores en los circuitos de control son los dispositivos encargados de comparar el valor de referencia con el valor medio de la variable de salida a través del transductor de realimentación. El resultado de esta comparación será el error de funcionamiento o la desviación del valor de la salida del circuito respecto al valor que estaba previsto.

Para comprender mejor lo anteriormente explicado, hemos de empezar por conocer las partes básicas de las que consta un circuito de control y para ello no hay nada mejor que ilustrarlo con un esquema:

CONTROLADOR

Figura 1

Donde será el elemento comparador también llamado corrector de error, pudiéndose ser una potenciómetro, una dinamo tacométrica, etc.

Los elementos comparadores toman sentido cuando se incluyen en los sistemas de control de lazo cerrado.

En la Figura 2 se puede observar el diagrama de bloques de un sistema de control de lazo cerrado. Observando el diagrama se puede comprobar que la acción de control depende tanto de la entrada de referencia(valor de la entrada) como del valor instantáneo de la variable de salida (valor de salida). Es decir, un sistema de control en lazo cerrado implica el hacer uso del efecto de realimentación de la variable de salida a la entrada del sistema, con la finalidad de reducir el error que pudiera aparecer en la variable de salida por efecto de las perturbaciones de salida.

En la Figura 1 el CONTROLADOR, está compuesto por dos bloques un es el comparador o detector de error y del corrector de error y se encarga de comparar la variable controlada (presión, nivel, temperatura, velocidad, etc) con un valor deseado o previsto y ejerce una acción correctiva de acuerdo con la desviación.

El primero es el elemento o dispositivo encargado de comparar el valor de referencia con el valor medido de la variable de salida a través del transductor de realimentación. El resultado de dicha comparación constituye el error de funcionamiento o desviación de la salida con respecto al valor previsto o deseado.

El segundo es el dispositivo encargado de amplificar y modificar adecuadamente la señal de error que está proporcionando el detector de error, con la finalidad de que el sistema presente mejores características en cuanto a precisión, estabilidad, tiempo de respuesta y oscilaciones, en definitiva, que se convierta en un sistema solvente y eficaz.

De todo el bloque o diagrama de un sistema de control, y concretamente del bloque controlador en este capítulo nos centraremos en el elemento comparador o detector de error.

Para realizar la comparación se utilizan diversos procedimientos tecnológicos según sea el tipo de señales a comparar.

2. Las sincromáquinas

– Concepto de Sincronizador

En términos eléctricos un sincronizador es un transformador con coeficiente de acoplamiento que varía cuando un eje mecánico hace girar el devanado de un transformador. El devanado (armadura) rotatorio suele ser una bobina distribuida monofásica, y los devanados exteriores que rodean al estator suelen ser del tipo de construcción de bobina de tres fases espaciales, con ángulo físico de 120º entre el centro eléctrico de cada bobina. Sin embargo, los tres devanados están en fase eléctricamente. Las bobinas de tres fase espaciales del estator están conectadas en Y internamente y sólo las tres puntas de cada uno de los extremos de una rama de la Y apuntan hacia fuera. Las dos puntas del rotor monofásico son llevadas hacia fuera por medio de anillos colectores.

La excepción al rotor monofásico ocurre en el caso del sincro diferencial de control. Este sincro tiene un rotor trifásico y un estator también trifásico. Se utiliza para compensar, ajustar a cero, sumar o restar eléctricamente un ángulo de la representación en forma de sincro sincro trifásico del ángulo de un eje mecánico. Los devanados de tres fases espaciales tienen señales eléctricas que están en fase en el tiempo. En un sincronizador no se utiliza CA trifásica.

Los sincronizadores suelen ser excitados por CA de 60 o 400 Hz. Además el sincronizador contiene bobinas que giran en un campo magnético, se pueden sumar voltajes considerables a los voltajes normales de transformador del sincro, debido al efecto generador de una armadura sincro que gira con rapidez. Sin embargo, se supone que el sincro actúa como un transformador variable, no como generador. Hemos de limitar la velocidad opera que no existan problemas de estabilidad.

La exactitud de un sistema comparador de control que utiliza sensores de sincronizador se puede mejorar empleándose un sistema de control de sincronizador de dos velocidades.

– Función comparadora de las sincromáquinas

Son el tipo de comparador más utilizado en los circuitos de control cuya finalidad es la de gobernar la posición angular de un eje en función de la posición angular de otro eje , llamado de mando a referencia.

Son muy parecidos a los generadores o motores eléctricos, ya que de hecho se componen de un estator y rotor.

Existen muchos tipos de sincronizadores (también llamados sincros), y todos se usan en sistemas que controlan el ángulo de un eje. Un sincronizador es un dispositivo electrómecanico que en general proporciona una salida eléctrica en respuesta a una entrada mecánica del ángulo del eje. Los sincros de fuerza son la excepción, dónde entradas eléctricas hacen que el eje de salida asuma un ángulo del eje comandado.

– Tipos de Sincromáquinas

Existen diversos tipos, que pueden combinarse de varias maneras según el cometido específico que se desee.

SINCROTRANSMISOR

Transmite eléctricamente la posición angular del eje de mando a un segundo elemento: el Sincroreceptor o el Sincrotransformador.

El Sincroreceptor transforma las señales eléctricas en èuna salida mecánica, moviendo el eje controlado de forma que adopte una posición angular idéntica a la del eje de mando y desplazando al propio tiempo una aguja indicadora sobre su esfera.

Cuando la potencia del sincrotransmisor es insuficiente para desplazar el eje controlado, se sustituye el sincroreceptor por un sincrotransformador.

Observe el esquema eléctrico de un sincrotransmisor:

El Sincrotransformador è transforma las señales eléctricas de mando en una tensión alterna o señal de error, variable en magnitud y signo.

SINCRODIFERENCIAL

Se puede de emplear como elemento transmisor o como elemento receptor.

· Como transmisor: da una salida eléctrica que representa la suma o la diferencia de dos señales de entrada

· Como receptor sucede lo mismo, exceptuando que la señal de salida es mecánica.

El rotor constituido por chapas magnéticas, lleva un arrollamiento único (primario del transmisor) cuyos extremos están conectados a un par de anillos rozantes. El estator va provisto de tres arrollamientos secundarios S₁, S_2, S₃ uniformemente distribuidos alrededor de la periferia de forma que sus ejes geométricos forman ángulos de 120º entre sí. Estos tres arrolladores están cortocircuitados por uno de sus extremos.

Al aplicar un CA en los bornes del primario, circulará por éste una corriente, que generará un campo magnético el cual inducirá tensiones en los secundarios S₁, S_2, S₃.

Cómo los flujos concatenados por los secundarios no son iguales, y además dependen de la posición angular del rotor è las tensiones inducidas tampoco serán iguales.

En la figura anterior la posición del rotor la tensión inducida en el secundario S₂ es máxima ya que por este secundario circula la totalidad del flujo magnético. Las tensiones en el primer y tercer secundario son iguales y es igual

VS₁=VS₃= VS₂ / 2

donde VS_i= tensión inducida en el secundario i.

SINCRORRECEPTOR

Es idéntico a una sincrotransmisor excepto que va provisto de un volante destinado a amortiguar las variaciones bruscas o las oscilaciones en la marcha del rotor.

A continuación se ha tabulado los distintos tipos de sincronizadores, respecto del uso ( acción que realiza) teniendo en cuenta su entrada y valor que se obtiene a la salida.

Tipos de sincronizadores comunes

En las siguientes cinco figuras a) b) c) d) y e) se reflejan diagramas esquemáticos de tipos comunes de sincronizadores:

En la figura a)

Sincrotransmisor de control CX. N = relación de transformación, máximo voltaje de salida del estator E_R que oscila de 0.2 a 2.0; E_R = valor rms(eficaz) del voltaje de referencia del rotor. √2 R_R . sen(2Õft), comúnmente 26 V; f = frecuencia d excitación, por lo general de 60 o 400 Hz; q = ángulo del eje eléctrico, ángulo del eje del rotor para un dispositivo de un solo par de polos; E_S13 = ascenso de voltaje de la terminal 1 a la terminal 3 del estator. Entrada = q = ángulo del eje físico. Salida = E_S13 E_S32 E_S21.

En la figura b)

Sincrotransformador de control (CT). Entradas = tres voltajes del estator procedentes de un transmisor CX (de control) con ángulo del eje de entrada q. Salida = voltaje de error monofásico E_{R sal} proporcional al seno de la diferencia entre los ángulos de eje de los dos sincronizadores CX y CT. En el equilibrio, el error E_{R sal} pasa a ser cero y q = f, o el ángulo del eje de salida f es accionado para coincidir con el ángulo del eje de entrada, q.

En la figura c)

Sincrotransmisor diferencial de control (CDX), D^o= ángulo diferencial, ángulo del eje CDX.

En la figura d)

Par de detectores de CX-CT

Ampliando el gráfico en tres partes para ver detalles

En la figura e)

Par de sincrotransmisor de fuerza (TX) y sincrorreceptor de fuerza (TR). E_R = excitación de referencia que se aplica a ambos rotores en paralelo Entrada = ángulo del eje q. Salida = ángulo del eje f, y f = q + términos en error es casi igual a q. El sincrotransmisor diferencial de fuerza (TDX)(no se presenta) tiene el mismo esquema que el sincrotransmisor diferencial de control (CDX) que se ilustra en la figura c).

Ampliando el gráfico para ver los detalles:

A continuación se va a explicar que podemos obtener sincromáquinas combinando los sincronizadores estudiados.

· El Sincrorrepetidor

Está formado por la conexión de un sincrotransmisor y un sincrorreceptor.

El esquema eléctrico de un sincrorrepetidor es:

Cada bobina estatórica o estator del secundario S₁, S₂, S₃, está unida a cada bobina estatórica del sincrorreceptor.

Los dos arrollamientos rotóricos se alimentan de la misma fuente de corriente alterna (CA). En está condiciones se fija el rotor del sincrotransmisor en la posición angular ø_e arbitraria, indicada en la figura anterior. Al inducirse como ya sabemos tensiones en los estatóricos del primero (el sincrotransmisor) S₁, S₂, S₃, dan lugar a una corrientes y por consiguiente a la creación de flujos magnéticos alternos en S’₁, S’₂, S’₃. Dichos flujos determinan en el sincrorreceptor un campo resultante de igual magnitud y dirección que el campo resultante del sincrotransmisor(con sentido opuesto).

Por lo tanto el rotor del sincrotransmisor tenderá a orientarse en las direcciones de este flujo y adoptará la posición angular ø_s, de modo que ø_e = ø_s.

Concluyendo el sistema es más preciso cuando menor sea el par resistente del rotor con respecto al par del sincrotransmisor. Para mejorar la sensibilidad suele acoplarse el sincrotransmisor al eje primario a través de un juego de engranajes reductores.

· El Sincroconvertidor

Conectando los arrollamientos estatóricos de un sincrotransformador a los de un sincrotransmisor se obtiene el esquema de un sincroconvertidor.

La posición del rotor del sincrotransmisor (eje de mando) es la que se toma como referencia. Cuando el rotor del sincrotransformador (eje controlado) se encuentra en la posición indicada, se dice que el sistema está a cero. Al excitar con corriente alterna el devanado rotórico del sincrotransmisor se producen los fenómenos anteriormente explicados. Sin embargo ya que el rotor del sincrotransformador está dispuesto perpendicularmente a este flujo resultante, no se induce en él ninguna tensión. Esto quiere decir que cuando ambos rotores se hallan en las posiciones relativas mencionadas, la tensión de salida es cero. En el caso del eje controlado se separa de la posición de cero è el rotor del sincrotransformador adoptará la desviación angular ø_s (véase la figura 6) parte del flujo resultante de S’₁, S’₂, S’₃, cortará las espiras del arrollamiento rotórico, y en los bornes del mismo aparecerá una tensión

E = E sen ø_s e_máxima è ø_s = 90º

E_nula è ø_s = 0º

Si ø_s > 180º è se invierte de fase

De esto podemos deducir que toda desviación angular del rotor con respecto a la posición cero se traduce en una tensión rotórica de salida proporcional al seno de dicha desviación, he aquí la razón por la que se denomina sincroconvertidor.

· El Sincrodiferencial

Un sincrodiferencial pueden emplearse como transmisor o como receptor.

Básicamente son de construcción idéntica a los anteriormente estudiados si hablamos de las estructuras estatóricas (estator).

La única diferencia respecto a las sincromáquinas anteriores se basa en la diferencia en cuanto al rotor. El rotor está constituido por tres arrollamientos cuyos ejes están desfases 120º entre sí. Los tres extremos interiores están unidos en cortocircuito; los tres extremos exteriores a tres anillos colectores independientes.

Sí Conectamos un transmisor diferencial de la manera indicada en la figura 7:

Entre un sincrotransmisor y un sincrotransformador è se obtiene el esquema de un sincrotransmisor diferencial y su funcionamiento es el siguiente:

Si por el rotor I se mantiene en la posición angular ø₁, induce en el estator I tres campos cuya resultante tiene dirección opuesta. Las corrientes originadas por éstos últimos determinan en el estator II otros tres campos, cuya resultante tiene dirección opuesta a la anterior, o sea ø_1. Según la ley de Lenz, el campo inducido en el rotor II se opondrá al estator II es decir, tendrá una dirección h + ø_1.. Cómo el rotor II se mantiene a una posición angular ø₂ , la desviación de dicho campo con respecto a la línea de cero del rotor será solamente: h + ø₁ – ø₂. y ø₃ = ø₁– ø₂.que corresponderá a una línea de cero.

Suponemos ahora que el rotor III está orientado de modo exactamente perpendicular a ø₃.; La tensión inducida será nula y no habrá, en consecuencia, señal de error. Para una posición cualquiera de ø₄.del rotor la señal de salida e será la siguiente:

E = E cos (q₄ – q₃ ) = E cos [q₄ – (q₁ – q₂)

3. Tipos de comparadores

– Introducción

Dentro de la tipología de elementos comparadores, existen unos cuya finalidad es la de efectuar la detección de un desplazamiento muy pequeño, ya sean angulares o bien lineales.

En este capítulo se abordarán los más extendidos y utilizados a nivel industrial.

– Transformador diferencial lineal

Es un tipo de transductor electromagnético que convierte el movimiento físico en tensión de salida con amplitud y fase proporcionales a la posición.

· Transductor lineal de movimiento

Componente utilizado en instrumentación que traduce un movimiento rectilíneo (lineal) mecánico en una señal de alterna analógica, que es utilizada como señal de realimentación para control o presentación. Dispositivo, tipo transformador, en el que un núcleo magnético móvil se desplaza axialmente por el componente móvil que se está monitorizando. Cuando el núcleo se mueve en una dirección, desde el centro de su localización inicial, la tensión de salida está en fase con la de excitación y cuando el núcleo se mueve en la dirección opuesta desde el centro, la tensión de salida está desfasada 180º.

· Transformador diferencial E

Forma especial de un transformador diferencial que emplea un núcleo en forma de E.

Está constituido por dos núcleos magnéticos de los cuales el principal tiene forma de E y el secundario es simplemente una barra que efectúa el cierre de circuito magnético.

En cada brazo extremo del núcleo principal se encuentra una bobina; ambas bobinas, que son idénticas, están conectadas en oposición. En el brazo central se ha dispuesto de una tercera bobina a la que se aplica una tensión alterna.

Si el núcleo de cierre está perfectamente cerrado a los barzos extremos, el doble circuito magnético es simétrico, los flujos parciales idénticos y las tensiones V_AB y V_BC inducidas en las bobinas laterales iguales y opuestas, con lo cual la tensión de salida es nula.

Por el contrario, cuando el núcleo de cierre está desplazado de esta posición en uno u otro sentido, desaparece la simetría, se establece un flujo mayor en el brazo de menor reluctancia, las tensiones inducidas son distintas, y a la salida aparece una tensión V_AB -V_BC con un sentido o polaridad y un módulo o valor. Este valor es proporcional a la desviación del núcleo de cierre con respecto a su posición de centrado. En cambio la polaridad obviamente depende del sentido de dicha desviación.

Una posible utilidad de este elemento comparador sería la de traducir o transformar un pequeño desplazamiento en una señal eléctrica. Aplicada esta señal de error a un servomotor adecuado, puede conseguirse que el sistema vuelva a las condiciones deseadas. Para conseguir dicha tarea, el compilador deberá ser de una construcción muy detallada para que la eficiencia sea máxima.

El circuito magnético debe ser perfectamente simétrico, y las dos bobinas inducidas deben poseer el mismo número de espiras e igual resistencia.

A continuación observe las gráficas en función de la

de la situación del secundario.

– Medidor de deformación (Extensímetro)

Proporcionan un método para generar una señal eléctrica que es exactamente proporcional a los movimientos mecánicos extremadamente pequeños. Este medidor funciona basándose en que la resistencia de hilo depende de su longitud y de su diámetro, así como la resistividad de su material. Cuando un hilo está estirado, su longitud aumenta y su sección disminuye, de lo que resulta un aumento de la resistencia. Si la atracción no es excesiva, el alambre recupera su longitud, sección y resistencia originales cuando cesa la fuerza de tracción.

En el tipo de hilos fijados a la pieza en ambas caras de una placa de material flexible hay tendido bajo tensión un hilo fino contorneando espigas salientes fijadas a la base. EL hilo está pegado sobre la pieza en ambas caras de ésta y en las dos son iguales longitudes de hilo. En funcionamiento, la unidad, se sujeta a una estructura mecánica en la que tienen lugar pequeños esfuerzos de flexión. La variación de la resistencia es proporcional al ángulo de flexión o curvatura.

Cuando no está la base flexible a curvatura, las resistencias de las longitudes de hilo son iguales en ambas caras de la base. SI la base se dobla longitudinalmente en cualquier sentido, el hilo resulta sometido a un esfuerzo de tracción mayor en una de las caras de la placa que en la otra. Esto hace que la resistencia del hilo de una cara aumente y disminuya la del hilo de la otra cara.

– Comparador Capacitivo

Este tipo de comparador se representa esquemáticamente en las siguiente figura:

Se compone en esencia de un condensador, una de cuyas armaduras está formada por dos placas, a y b que alimentan con AC y en oposición de fase; la otra armadura, c, va unida a uno de los bornes de salida. Mientras la placa intermedia, d, permanece centrada con respecto a ambas armaduras, las dos cargas que aparecen en c son iguales y de sentido opuesto y, por tanto, la señal de salida es nula. El desplazamiento de d hacia uno u otro sentido destruye este equilibrio y origina una tensión de salida variable con la magnitud del otro.

Este elemento es de pequeñas dimensiones y pequeño peso. Con la finalidad de aumentar su sensibilidad se emplean frecuencias de alimentación elevadas, normalmente de 1 MHz.

– Comparador Silverstad

Este comparador se basa en el desequilibrio creado en una de las ramas de un puente de Wheatstone.

El puente puede alimentarse con AC o DC, según la naturaleza de error deseada. Las resistencias del puente están calculadas de forma que, cuando la espiga móvil está centrada, existe equilibrio, es decir, la tensión de salida es cero. A medida que la espiga se va desplazando en uno u otro sentido pone sucesivamente en cortocircuito, por medio de láminas de contacto, una porción creciente de resistencia en una de las dos ramas variables del puente. Cuanto mayor es la desviación de la espiga, tanto mayores son el desequilibrio del puente y la tensión de salida.

Con un dispositivo de esta naturaleza pueden detectarse directamente desplazamientos del orden de 0.1mm. Utilizando una amplificación mecánica conveniente, es posible aumentar la precisión a desplazamientos de 0.01mm.

– Comparador Electromágnetico

El funcionamiento se basa en el cambio de reluctancia que experimenta un circuito magnético al variar su entrehierro por desplazamiento de una armadura polar de cierre. Esta armadura polar es solidaria de la parte móvil cuyo desplazamiento quiere detectarse. El reto del circuito es fijo.

– Comparadores Fotoeléctricos

Estos comparadores se basan en el empleo de fotocélulas, que pueden ser conductivas o resistivas

CONDUCTIVAS:

La incidencia de un haz luminoso provoca la generación de una tensión eléctrica proporcional a la intensidad del mismo ( son de Selenio).

RESISTIVAS:

No se genera tensión alguna, pero la resistividad del material sensible que las compone varía en proporción inversa a la intensidad de la luz incidente. (son de sulfuro de Cadmio).

Estos comparadores pueden ser de traslación y de rotación. Van provistos de dos células fotoeléctricas.

El funcionamiento básico es el de que mientras el sistema es simétrico, ambas células reciben la misma intensidad luminosa y generan señales eléctricas iguales. Al producirse una desviación dicho equilibrio desaparece y cada célula genera una señal de distinto nivel.

4. Generadores tacométricos

– Concepto de Dinamo Tacométrica

El dispositivo más común que se utiliza para medir la velocidad analógica es el tacómetro o dinamo tacométrica, que convierte velocidad angular en un voltaje cuya magnitud y signo (o fase) varían casi linealmente con la magnitud y dirección de la velocidad angular aplicada. Ç

– Función comparadora de un dinamo tacométrica

Son máquinas eléctricas que suministran tanto en vacío como en carga, una tensión exactamente proporcional a la velocidad de giro. Esta característica esencial permite utilizarlas para detectar en cualquier momento o instante el número de revoluciones del sistema sometidas a regulación.

Basta para ello con acoplar directa o indirectamente la dinamo tacométrica sobre el eje de la máquina en cuestión è

è V_bornes (señal de tensión que aparece entre sus bornes), fluctúa con è v_rot (velocidad de rotación), cuyas variantes son traducidas è Magnitud electrica è para ser comparadas con la V_ref (señal de referenc¡a).

– Clases de dinamos tacométricas

Un generador tacométrico o dinamo tacométrica puede construirse para CD y CA ( corriente continúa y alterna respectivamente).

Los generadores tacométricos de CD:

Van provistos de colector, que ya proporciona directamente la corriente continúa necesaria para la regulación.

Los generadores tacométricos de CA:

Poseen un sistema rectificador situado inmediatamente tras la salida de la tensión alterna inducida.

Un Tacómetro es básicamente un generador de voltaje, especialmente diseñado para producir una salida de voltaje que varía linealmente con la velocidad del eje aplicada. Un tacómetro de CD produce un voltaje de salida CD con una frecuencia de ondulación superpuesta que aumenta con la velocidad angular aplicada. La ondulación es provocada por el efecto de conmutación de los colectores (conmutadores) que se utilizan en generadores de CD. Este efecto se minimiza maximizando el número de barras (delgas) del colector, y el voltaje de ondulación se puede mantener sin dificultad en un pequeño porcentaje del voltaje de salida de CD.

Invirtiendo la dirección de rotación, también se invierte la polaridad del voltaje CD. Aunque la velocidad mínima 3especificada es de 600 rpm, el tacómetro de CD opera a velocidades menores.

Los tacómetros de CD se especifican como lineales en un intervalo de rpm limitado aunque funcionarían en todas las velocidades desde cero hasta alguna velocidad relativamente alta.

Los tacómetros de inducción de CA bifásicos tienen rendimiento restringido por límites de velocidad superior, dependiendo de la frecuencia de voltaje superior de excitación aplicado. La salida de un tacómetro de inducción de CA bifásico es un voltaje sinusoidal en fase con el voltaje de referencia para una velocidad angular positiva y desfasado 180º para una velocidad angular negativa.

Una velocidad angular positiva suele significar una rotación antihoraria, vista desde el extremo del eje, aunque también se utiliza la definición inversa (horaria = positiva).

La magnitud de esta salida de voltaje CA varía con la magnitud de la entrada de velocidad pero, a diferencia de lo que ocurre en los generadores de CA ordinarios, la frecuencia de salida del tacómetro de inducción de CA bifásico es constante.

Para minimizar el desfasamiento entre el voltaje de referencia y el de salida, la máxima velocidad(rpm) del tacómetro de CA debe ser mucho menor que la velocidad sincrónica correspondiente a la frecuencia de excitación, a fin de preservar la relación de fase de 0 a 180º.

– Características del tacómetro de CA

1. El tacómetro de CA es un dispositivo de inducción bifásico sin anillos colectores ni conmutador, y libre de chispas. La armadura de cápsula no magnética rotatoria es de metal sólido y hueca

2. El tacómetro de CA requiere excitación en una fase, con un voltaje de referencia V_R de amplitud rms A (volts) y frecuencia f (hertz)

V_{R =} AÖ2 sen 2pft

Habitualmente f = 60 o 400 Hz y A = 155 V rms

3. El voltaje de salida de, un tacómetro de inducción de CA bifásico es de frecuencia constante f igual a la frecuencia de excitación a cualquier velocidad del eje. En el intervalo de velocidad lineal útil, el voltaje de salida está en fase con el voltaje de referencia en una dirección de rotación del eje, y desfasado 180º en la dirección de rotación contraria.

4. El intervalo de velocidad lineal útil de los tacómetros de CA con frecuencia de excitación de 60 Hz varía de aproximadamente 500 a 1.800 rpm; 1.800 rpm es la mitad de la velocidad sincrónica correspondiente de 60 ciclos/s X 60 s/min = 3.600 r/min. En el caso de los tacómetros de CA con excitación de 400Hz, el intervalo citado varía de 500 a 12.000 rpm pero suele especificarse como 500 a 6.000 rpm. Esto permite una menor desviación del desfasamiento y por tanto eleva la exactitud.

– Características del tacómetro de CD

1. El tacómetro de CD es un generador de CD en miniatura, que suele contener un campo magnético permanente. La armadura giratoria consta de un núcleo de hierro arrollado con muchos devanados que terminan en un colector (conmutador) cilíndrico giratorio multisegmentado. Cada devanado es terminado por dos barras o delgas de colector, por lo general de cobre. Habitualmente los devanados están interconectados en un patrón de ciclo cerrado, que se denomina devanado imbricado u ondulado. Las conexiones deslizantes estacionarias al colector giratorio segmentado de cobre suelen construirse con carbón comprimido y se denominan escobillas de carbón.

2. A diferencia de un tacómetro de CA, el de CD no requiere voltaje de excitación ni entrada de energía cuando se construye con un campo magnético permanente. El imán permanente suele ser de álnico ( una aleación de metales), que puede producir una densidad de flujo magnético hasta de 1 T = 1 Wb/m² = 10.000 gauss. Como punto de comparación, el campo magnético de la Tierra es de aproximadamente 0,7 gauss.

3. El voltaje de salida de un tacómetro de CA es positivo en una dirección de rotación del eje y negativo en la dirección contraria. EL voltaje de CD está sujeto a una pequeña ondulación que representa cuando mucho un pequeño porcentaje de la salida de CD, en el caso de un tacómetro típico. La frecuencia de la componente de voltaje de ondulación aumenta linealmente con la velocidad de eje.

La salida de voltaje de CD está dada por la siguiente ecuación

V_sal = K₁ w

Donde w = velocidad del eje, rad/S

K_{1 =} constante, V/rad/s ( valor típico : K₁ = 0.06 V/rad/s)

4. El intervalo de velocidad de operación lineal (+/- 3% calida promedio, +/- 1/3%, buena calidad), habitualmente va de varios cientos a varios miles de revoluciones por minuto.

No existe un límite superior fundamental para el intervalo de velocidad de velocidad de un tacómetro de CD, como lo hay para una tacómetro de CD, como lo hay para un tacómetro de CD. Los diversos problemas que pueden presentarse con los materiales limitan la velocidad de los tacómetros de CD.

La siguientes figuras ilustra las características de los tacómetros de CA y CD:

– Explicación de los gráficos

Las figuras a) y d) son tacómetros de CD con campo magnético permanente, w = dq/dt = velocidad angular, rad/s. Si la dirección de w se invierte, la polaridad de V_sal se invierte. V_sal = K₁ w en la región lineal, V CD, donde K₁ = cte del tacómetro = V/rad/s; valor típico 0.06 V7rad/s.

La figura a) Esbozo generalizado

La figura b) Esquema eléctrico

La figura c) Voltaje de ondulación, máximo a 4.000 rpm u w = 4.000 x 2p/60 rad/s.

La figura d) V_sal V/s rpm

Las figuras e) y h) Tacómetro de CA , que requiere una referencia de CA, V_ent, normalmente 115V rms a 60 o 400 Hz. Por tanto, V_ent = 115 Ö2 sen (2p60t) o bien 115 Ö2 sen (2p400t). EL voltaje de salida, V_sal, está dado V_sal = K₂ V_ent w = K₃ w en la región lineal. Observe que w, la velocidad angular, modula la amplitud de V_ent pero no cambia la fase o la frecuencia. Cuando w se invierte, V_sal experimenta un cambio de fase de 180º. Un valor común de K₃ es 6.5 V/1.000 rpm x 60/2p = V/r/s. El ángulo de fase de V_sal se mide con respecto a V_ent.

La figura e) Esbozo generalizado

La figura f) Esquema eléctrico.

La figura g) V_sal (t), máximo y mínimo, V_rms = 6.5V/1.000 rpm x 1.750 rpm = 11.375 V, V_p = Ö2 V_rms = 16.08 V

5. El potenciómetro como elemento de control. Tipos

– Definición de potenciómetro como elemento

Instrumento de medida de precisión empleado para comparar directa y exactamente mediante una técnica de anulación de tensiones continuas desconocidas con tensiones derivadas de una referencia.

Tipo de reostato consistente en una resistencia entre dos terminales fijos y un tercer terminal conectado a un brazo de contacto variable, empleado como control de volumen, etc.

– El potenciómetro como elemento de control

Los potenciómetros o divisores de tensión adoptan un papel muy concreto, como comparador, en los circuitos de control.

El potenciómetro es una resistencia que dispone de un contacto deslizante que se mueve a lo largo del elemento resistivo.

Podemos diferenciar dos tipos, según sea el movimiento:

– Rotación

– Translación

Normalmente se utilizan los de rotación, cuyo funcionamiento es que a medida que realizamos un movimiento de rotación sobre un eje la resistencia varía; de ahí viene el sinónimo de potenciometro, resistencia variable, ya que la resistencia cambia su valor en función del desplazamiento de un eje si es rotacional o de un cursor si es transversal.

A continuación se muestran los esquemas físico y eléctrico (simbología) de un potenciómetro:

Un potenciómetro se denomina lineal si la resistencia por unidad de longitud es contante.

De la segunda figura:

(R/R_T) = (Ø / Ø_T) (ec. 1)

ya que existe una relación entre el ángulo de giro en un instante con el valor de resistencia del potenciómetro en ese instante.

Cómo la tensión en bornes del potenciómetro está relacionada con el valor de resistencia del potenciómetro è de todo esto podemos deducir que:

Sí (E_o / E_i) = (R / R_T)

De la (ec. 1) se puede deducir que

Ø = (E_o / E_i) Ø_T

O lo que los mismo, que la tensión de salida o de contacto E_o es proporcional al cociente del ángulo de giro:

E_o = (Ø / Ø_T) E_i

Los potenciómetros de los circuitos de control son especiales ya que requieren una gran precisión, con poco par de rozamiento (para disminuir el posible error por desgaste) y con un período de “vida” bastante largo. Por ello los potenciómetros tienen que ser una naturaleza en la que los materiales sean más resistentes y precisos que los que se utilizan para fabricar los típicos potenciómetros de circuito impreso de uso común.

– El potenciómetro como elemento de control

– De grafito

– De película moldeada

– De plástico moldeado

– De resistencia bobinada

– De arrollado por núcleo cilíndrico

Los más utilizados como elemento comparador en los circuitos de control son ç

· los de arrollado por núcleo cilíndrico. Se fabrican con una gran variedad de valores de resistencia y de potencia.

· Otro tipo utilizado es el de película moldeada por un material resistivo, metálica o de carbón, sobre un soporte aislante. Como el contacto deslizante se mueve sobre una superficie relativamente plana y lisa, el rozamiento y desgaste son inferiores a los de hilo arrollado, haciéndolos más duraderos. Un inconveniente es que son muy caros, no son fiables al sufrir cambios de temperatura ya que hacen variar el valor óhmico de la resistencia (muy sensible a la Tª) y finalmente, aguantan poca potencia.

El potenciómetro de la figura (forma física) descrito anteriormente, el ángulo de rotación real difiere del ideal (360º) es ligeramente inferior, aún sabiendo que puede dar vueltas enteras, si necesitamos un potenciómetro muy preciso podemos utilizar de una sola vuelta ya que su diámetro va desde 0,5 a 5 pulgadas o más. Piensa que a medida que aumenta el diámetro de un potenciómetro de vuelta única se mejora la precisión debido a la mayor longitud del elemento resistivo.

Normalmente se fabrican de 3,5 o 15 vueltas. El eje de un potenciómetro de varias vueltas no puede moverse continuamente en un mismo sentido y ha de disponer de unos topes mecánicos.

En un potenciómetro lineal, la precisión la mayor desviación se produce en los finales de carrera, allí donde la resistencia entre el contacto móvil y el terminal se incrementada por una resistencia adicional de final de carrera.

Al especificar la precisión de un potenciómetro los constructores definen la denominada linealidad independiente (desviación máxima de la característica real respecto a la línea recta que mejor sigue la característica, expresada en forma de porcentaje de la resistencia total del dispositivo)

Como la línea recta no es necesario que pase por el origen, se obtiene mejor valor en la linealidad. La tolerancia de linealidad, normalmente mejora al aumentar la resistencia del elemento, el diámetro y el número de vueltas. Los valores más usuales son de 0.1 a 1.0% para los potenciómetros de una sola vuelta, y de 0.01 a 0.1% para los de varias vueltas.

En cuanto a la tensión de salida de un potenciómetro continuo varía de forma continua y gradual a medida que varía el ángulo del eje è E_o = f(ø)

En realidad los potenciómetros con hilo arrollado, la tensión va variando de manera discontinua y escalonada a medida que el contacto deslizante salta de una o otra espira. Por ejemplo si la resistencia tiene 1000 espiras sobre el mandril, la tensión variará efectuando 1000 saltos para una variación total de la posición del eje. Cada salto representará un 0.1% de la variación total (conocida como resolución del potenciómetro) y se refiere a dichos incrementos discontinuos.

% de resolución = (100 / número de espiras)

Se obtiene una mejor resolución con un alambre fino y de elevada resistencia, de muchas espiras, como ocurre en los potenciómetros de varias vueltas. Los potenciómetros de alambre arrollado normalmente proporcionan una resolución de 0.001 a 0.1%. Los potenciómetros peculiares no presentan saltos y tienen prácticamente una resolución de cero.

La resolución de un potenciómetro es importante en servomecanismos porque determina un valor mínimo en la señal de error. Si la señal de error es demasiado grande, el sistema puede tender a oscilar entre dos espiras adyacentes, provocando un

desgaste en dicho punto.

Al principio se ha supuesto que no se absorbe corriente a través del contacto deslizante. En la práctica, la tensión de salida del potenciómetro debe aplicarse a una impedancia de carga, tal como la entrada tal como la entrada de un amplificador, esto quiere decir que se presenta un efecto de carga debido a la intensidad que pasa por ella. La figura anterior lo ilustra, la intensidad que circula por la resistencia de carga (RL) provoca una caída de tensión y eso hace que reduzca la tensión de salida (Eo), de forma que se obtiene una forma no lineal. Observe como la desviación respecto de la linealidad depende de la posición del contacto deslizante y del valor de la carga.

Con el contacto móvil en una determinada posición, la resistencia R que representa un potenciómetro cargado es:

R = (1 – £) Rp + [(£RpRL) / (RL + £Rp)]

Donde

Rp = resistencia total del potenciómetro

RL = resistencia de carga

£ = ( ø / ø_T ) posición angular definida por la situación del contacto móvil

Puesto que la corriente (I) que pasa por el potenciómetro vale

I = (Ei / R_i)

Podemos expresar la tensión de salida como:

Eo = I [(£RpRL)/(RL + £Rp)]

Y sabiendo que I = (Ei/R), sustituyendo la expresión de R calculada anteriormente obtendremos la Eo final:

Eo = (£Ei) / ( 1 + £(1 – £) Rp / Ri

– Potenciómetro de INDUCCIÓN

Un potenciometro de inducción produce una salida de voltaje de CA intervalo angular de menos de 180º. En la siguiente figura se muestra el diagrama esquemático de un potenciometro de inducción

La diferencia principal entre los potenciometros de inducción y un resolvedor es que la salida del segundo varía como el seno (o coseno) de un ángulo. Los devanados de un potenciometro de inducción no están espaciados de manera uniforme, sino que están distribuidos en forma irregular para cancelar la variación sinusoidal de voltaje inherente que produce una bobina que gira en un flujo magnético uniforme.

Ventajas:

· No tienen contactos deslizantes o de frotamiento, por lo que experimentan muy poco desgaste

· Por la razón anterior , producen un momento de torsión friccional muy bajo, y por ello se pueden utilizar en aplicaciones en que son tolerables momentos de torsión de carga mínimos

Su resolución angular es teóricamente infinita.

Desventajas:

· Están limitados a un intervalo como mucho de 180º 0 +y – 90ºy suelen se lineales en un intervalo menor.

6. Resumen de conceptos

– COMPARADOR

1. Circuito que compara dos señales y suministra una indicación de su concordancia o desacuerdo

2. Dispositivo que compara la igualdad entre 2 entradas. Un tipo de ellos compara tensiones y da una de estas 3 salidas (<, = y >). Un tercer tipo compara fase y frecuencia y da una tensión variable dependiente de las relaciones entre las entradas

3. Circuito que compara dos señales y proporciona una señal <<diferencia>>

4. Dispositivo activo que compara dos señales diferente y proporciona una salida cuando éstas difieren en fase, frecuencia, tensión o nivel de potencia

5. Circuito que evalúa una parámetro de salida para determinar si está por debajo de algunos límites predeterminados

– DINAMO

6. Normalmente llamado generador. Máquina que convierte la energía mecánica en energía eléctrica por inducción electromagnética

7. En terminología precisa, generador de corriente continúa en oposición al alternador, que genera corriente alterna

– DINAMÓMETRO

1. Instrumento en el que la fuerza entre una bobina fija y otra móvil proporciona una medida de corriente o potencia

2. Equipo diseñado para medir la potencia de salida de una máquina giratoria, determinando la fricción absorbida por un freno de mano que se opone a la rotación

– DINAMOTOR

También llamado convertidor rotativo o inversor síncrono. Dispositivo giratorio para cambiar una tensión continúa con dos o más arrollamientos de inducido y un conjunto común de polos de campo. Un inducido recibe la DC y gira (opera con un motor) mientras que el otro genera la tensión requerida (opera como una dinamo o generador)

– TRANSFORMADOR TIPO E

Forma especial de un transformador diferencial que emplea un núcleo en forma de E. Los devanados secundarios del transformador están arrollados sobre las partes externas de la E y el devanado primario está en la parte central

– COMPARADOR SILVERSTAT

Disposición de contactos colocados muy próximo entre sí. A veces se usa como dispositivo paso a paso para desequilibrar las ramas de un puente de resistencias

– SINCRO

Aparato semejante a un pequeño motor, con rotor y estator y capaz de transforman una posición angular de entrada en una salida eléctrica.

Un sincro proporciona indicación mecánica de la posición de su eje como resultado de una entrada de tipo eléctrico, o da una salida eléctrica que representa a una cierta función del desplazamiento angular de su eje. Tales componentes son básicamente transformadores variables y también se les llama sincro. Si el rotor de un sincro gira è origina una cambio en sus tensiones de salida.

– FOTOELÉCTRICO

Perteneciente a los efectos eléctricos de la luz o de otras radiaciones sobre un material (por ejemplo, la emisión de electrones, la generación de una tensión, o el cambio en la resistencia eléctrica cuando se el expone a la luz. Los fotoelectrones son los electrones emitidos por un metal por efecto fotoeléctrico.

– ELECTROMÁGNETICO

1. El que tiene propiedades eléctricas y magnéticas

2. Perteneciente a los campos eléctricos y magnéticos mutuamente perpendiculares asociados con el movimiento de electrones a través de una conductor como un electroimán.